[发明专利]一种保护半导体器件串联运行的有源保护电路

说明书

技术领域

本发明属于具有半导体器件的电路领域，特别涉及一种保护半导体器件串联运行的有源保护电路。

背景技术

目前的功率半导体器件，例如绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)和金属氧化物半导体型场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)等，都只能承受一定限量的电压。如果电路中有其它因素影响，半导体器件在关断时可能要承受一个较大的电压过冲，这个电压可能会超出器件的安全工作的范围，造成器件损坏。另外，如果在一些场合下需要开断的电压较高，必须要对半导体器件进行串联使用。在这种使用方式下，由于器件本身特性的不一致、主电路杂散参数的影响以及控制电路所存在的差异等，将会导致在串联运行中各个器件上电压分配的不平衡，使得一些器件上产生较大的过电压。尤其是在动态运行(开通和关断过程)过程中，串联器件间的电压均衡就更加难以获得。因为在开通或者关断过程中，只有当各个半导体器件及其驱动的特性完全一致时才可以保证通过半导体器件上的电压对称分布。但是，由于各个串联器件的开关特性或开关延迟都有差异，而且各个器件本身的开通和关断时间还会随着时间和温度的变化而变化。这使得每个器件在高速的开通和关断过程中所成的电压都不尽相同。而且，使用的半导体器件速度越快，在关断时承受的电压越高，因为这时较慢的开关仍然在导通，大部分电压还需要较快关断的器件来承受。这样，速度最快的半导体器件所承受的电压可能会超出最大耐受电压，从而导致器件被损坏。同样的情况也可以发生在开通过程中。在这种情况下，是由较慢的开关承受较大的电压。

而器件上所施加的过电压会导致器件受到的电气应力增加，加速了器件的老化过程。同时，在较高的电压下运行可能会使半导体器件的失效率显著增加。在严重的情况下，这个电压可能会超出器件所能够承受的最大运行电压，使器件造成不可恢复的损坏。因此，必须有一个保护性的设备来确保在任何运行状态下每个半导体器件上的电压都不会超过其最大耐受电压。

因此，参见图1，在由电力电子器件组成的设备中，特别是对于在高电压大电流下工作的串联电力电子设备来说，必须使用一定的措施来限制这个过电压的影响，以使各个器件上的电压处于安全工作的范围以内，保护电力电子设备的可靠运行。

目前，在半导体器件的单管应用或低频半导体器件(如高压直流输电晶闸管串联阀)的串联运行中，通常使用和半导体器件并联的RCD缓冲电路来限制器件上的过电压。参见图2显示了一个现有技术的RCD缓冲器的例子，其中的门极驱动电路是用来控制半导体器件开通或者关断的触发电路，可以由成熟的商业化驱动芯片来完成，而缓冲电路由电阻R、电容C和二极管D组成。这种缓冲电路可以限制半导体器件上的电压变化速率，增加半导体器件的电流处理能力，从而降低了关断过电压。在器件的串联使用中，RCD缓冲电路也可以改进串联器件上的电压分配。但是为了获得较好的电压分配，缓冲器中的电容必须很大，这将会使得缓冲电路的损耗也会很大，不利于电力电子器件IGBT等高频器件的串联运行。而且如果过电压的水平较大或者串联的器件数量较多，RCD缓冲电路也无法完全保证串联器件间的电压分配。

因此，在较快速的半导体器件，例如MOSFET、电力电子器件IGBT等半导体器件(下文都用电力电子器件IGBT来作为代表)的串联工作中，需要一些性能更加良好的过电压保护电路，用来防止那些关断较快(或开通较慢)的器件承受过高的电压。对于这类门极控制型半导体器件，可以考虑采用更加优秀的方法来限制过电压的大小，即使用工作在门极侧的保护电路，也就是所谓的有源式保护电路。有源式过电压保护电路意味着保护电路可以较大的改变器件的动作特性，也就是说通过器件的电压如果上升太快的话，它可以增加器件的等效电导，来降低器件的电压变化率。

参见图3，现有技术的最简单的有源过电压保护设备是使用一个齐纳二极管和一个二极管串联到电力电子器件IGBT的集电极和门极之间。但是这个方法的缺点是会显著增加关断损耗。